Елементарні частинки. Античастинки, взаємні перетворення часток

Горохов А.В.

Одним з найважливіших результатів у фізиці високих енергій є відкриття античастинок. Перша античастинка-позитрон теоретично передбачений і відкритий у початку 30 років. Він має точно таку ж масу і абсолютну величину заряду, як і електрон, але знак заряду позитрона протилежний знаку заряду електрона. Електрон і позитрон позначають відповідно e-і e +.

В вакуумі позитрон так само стабільний як і електрон, однак при зустрічі електрона і позитрона відбувається їх анігіляція, перетворення в g-кванти. При анігіляції випускається, як првіло, два або три фотона.                      

e + + e--> g + g, e + + e--> g + g + g.                    

На прискорювачах спостерігається також реакція, зворотній анігіляції електрона і позитрона.

При зіткненні двох g-квантів народжується пара "електрон + позитрон".                      

g + g -> e + + e-.                    

Подібних процеси з високою точністю розраховуються в рамках квантової теорії поля -- поєднує квантову механіку і теорію відносності.

Слідом за позитроном були відкриті й інші античастинки. У середині 50-х років на прискорювачах були створені Антипротон і Антинейтрон, а потім навіть антіядра, а в саме останнім часом і антіатоми. Як правило, античастинки позначаються тими ж літерами, що й відповідні частки, але над буквою ставиться риска (або тильда). Наприклад, [ `(p)] - Антипротон, [` (n)] - антинейтрино і т.п.

Маса кожної частки строго дорівнює масі відповідної античастинки, а знаки їх зарядів протилежні. Уявна операція заміни "частка -> античастинка "називається зарядовим сполученням. При цій операції фотон, яка не несе будь-якого заряду, переходить сам у себе. Фотон належить до порівняно редкомку типу істинно нейтральних частинок, що не мають зарядовий двійників.

Типи частинок, фундаментальні взаємодії

Всі елементарні частинки залежно від спина діляться на Ферміон, якщо спін напівцілим (в одиницях (h/2p)), і бозони, якщо спін цілий.

Крім того, в залежності від типів взаємодій, які підпадають всі частинки, розрізняють два сімейства: адрони - частки як з цілим, так і напівцілим спіном, що беруть участь у всіх фундаментальних взаємодій, і лептони - частинки з напівцілим спіном, які беруть участь у всіх взаємодіях, за винятком сильного.

В Нині відомі чотири фундаментальних взаємодій типу:

гравітаційне, слабке, електромагнітне і сильне.

Слабке взаємодія відповідає, наприклад, за бета-розпади ядер, електромагнітне -- пов'язує електрон і протон в атомі водню, а сильна взаємодія -- нуклони в атомних ядрах. З сучасної точки зору внутрішньоядерні взаємодія не є істинно фундаментальним, а влаштовано на зразок т.зв. "хімічних" сил, які є наслідком складної гри кулонівського (електромагнітного) взаємодії та принципу заборони Паулі.

Адрони з цілим спіном називають мезонами, з напівцілим - баріонів Відомо кілька сотень адронів. Більшість їх вкрай нестабільні - це т.зв. резонанси: вони розпадаються на більш легкі частинки за допомогою сильної взаємодії. Типове час життя резонансів ~ 10-21 с.

Квазістабільние адрони живуть набагато довше і розпадаються за допомогою слабкого і електромагнітного взаємодій. Кінцевими продуктами розпадів квазістабільних мезонів є більш легкі мезони, лептони і фотони, а також, якщо розпадаються мезони досить масивні, то пари "Баріони + антібаріон ".

Найкращі легкі баріони (протон і нейтрон) називаються нуклонами. Більш важкі квазістабільние баріони (L, S, X, W, ...) називають гіперонів. Кінцевими продуктами розпадів гіперонів є лептони, мезони, фотони і обов'язково нуклон.

З протонів і нейтронів складаються атомні ядра, решта адрони не входять до складу оточуючого нас стабільного речовини, вони народжуються при зіткненнях часток, володіють високими енергіями. Відповідно до сучасних уявлень все адрони не є істинно елементарними частинками. Всі вони складаються з кварків і глюонів.

В відміну від адронів лептони істинно елементарні частинки (принаймні в рамках т.зв. стандартної моделі). Відомі три заряджених лептона: електрон e-, мюон m і тау-лептон t-і три нейтральних: електронне нейтрино ne, мюонне нейтрино mn і тау-нейтрино nt. У кожної з цих частинок є відповідна античастинка. Мюон і t-лептон розпадаються за рахунок слабкої взаємодії, а електрон стабільний.

В слабких розпаду кожен з заряджених лептонів народжується в супроводі соего антинейтрино. У електромагнітних взаємодіях народжуються пари заряджених лептонів: e + e-, m + m-, t + t-.

Ці закономірності вдається пояснити, якщо припустити, що всі лептони володіють свого роду лептонний "зарядом", рівним 1 для лептонів і -1 для антілептонов. У всіх наблюдавшіхя процесах лептонний заряд зберігається.

передбачені процеси, в яких очікується незбереження лептонного заряду: розпад протона, подвійний бета-розпад, осциляції нейтрино.

(нейтрино осциляції передбачені в середині 50-х Б. Понтекорво для пояснень спостерігається дефіциту сонячних (електронних) нейтрино. (Будучи іспущенним на Сонце, електронне нейтрино з помітною вірогідністю перетворюється на шляху до Землю в мюонне і не реєструється детектором, налаштованим на ne. Влітку 1998 р. процес нейтринної осциляції був виявлений в лабораторних умовах).

З середини 70-х років загальноприйнятим став підхід т.зв. калібрувальних теорій поля, в яких всі взаємодії розглядаються за аналогією з електродинаміки. На основі теорії Глешоу - Вайнберга - Салама було передбачено, що слабке взаємодія здійснюється за рахунок обміну W - і Z-бозона - квантами поля слабкої взаємодії. Для того, щоб ця взаємодія було слабким і короткодействующих, потрібно, щоб маса цих проміжних бозонів була дуже великий ~ 100 ГеВ. Ці частинки були виявлені в 1983 р. на протон - антіпроном коллайдері У Європейському центрі ядерних досліджень (ЦЕРН). Виявилося, що при енергіях ~ 100 ГеВ електромагнітне і слабка взаємодія перестають бути різними і об'єднуються в єдине електрослабкої взаємодії.

Список літератури

Для підготовки даної роботи були використані матеріали з сайту http://ermine.narod.ru